DCS现场站数据共享方案设计分析.docx
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DCS现场站数据共享方案设计分析
课程设计（综合实验）报告
（2014--2015年度第1学期）
名称：
分散控制系统与现场总线技术
题目：
DCS现场站数据共享方案设计分析
院系：
自动化系
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
1
成绩：
日期：
2015年1月8日
1、课程设计（综合实验）的目的与要求
1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；
2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；
3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；
4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实
际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；
5．报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
2、设计（实验）正文
（1）目录
（一）目录
（二）DCS系统简介及DCS系统现场站简介
1.DCS系统简介
2.DCS系统现场站简介
（三）DCS系统的通信联系及对DCS现场站数据共享的分析
1.系统通信网络
2.管理信息网络
3.DCS常用的通信结构类型演变
4.DCS现场站数据通信的分析
（四）现场总线技术
1.现场总线技术的定义
2.现场总线技术的特点和优点
3.现场总线技术的结构
4.现场总线协议
5.现场总线应用中的关键技术
6.现场总线的应用前景
（二）DCS系统简介及DCS系统现场站简介
1.DCS系统简介
1.1DCS系统定义：
DCS（distributedcontrolsystem）简称集散控制系统，是4C技术（control/computer/communication/cathode-ray-tube[CRT]）相融合的产物。
在分析常规模拟仪表控制系统和计算机集中控制系统的基础上，人们产生了危险分散的设计思想，即控制功能分散、监视操作功能集中。
控制功能：
分布在电子设备间的多个现场站中。
监视操作：
分布在控制室的多个操作员站中。
信息管理：
分布在办公室的多个工作站中。
1.2DCS系统结构：
分散控制系统是一种集成了多种高新技术的新型控制系统，其原理结构是比较复杂的。
1.2.1从控制系统的角度来看，DCS是一种分级的控制系统。
各级完成不同的功能。
按系统结构进行垂直分解：
它包括四级，过程控制级（主要设备：
现场站）、控制管理级（主要设备：
操作员站，工程师站，历史站）、生产管理级（主要设备：
实时数据管理器，工作站）和经营管理级（主要设备：
实时数据服务器，工作站）。
同一级进行水平分解：
它可分为具有功能类似的站，各站相对独立，又相互联系，不同的站完成不同的功能。
1.2.2从信息系统的角度来看，DCS是一个数据通信系统，具有不同的网络结构，连接着功能各异的一个个节点，实现节点间的信息传送与互换。
通信网络结构：
是指网络中各节点设备之间相互连接的方式。
常用的网络结构有三种：
星型、环型、总线型。
节点：
参加网络通信的最小单位称为节点。
一个节点可以是一台计算机，也可以是几台甚至几十台计算机形成的数据集中器。
1.2.3从计算机系统的角度来看：
DCS分为硬件系统和软件系统。
硬件系统：
一系列以微处理器为基础的智能模件、过程通道、通信接口和各种外部设备。
软件系统：
包括对系统进行管理的操作系统、数据库系统、组态工具软件和对过程进行控制的一系列标准化功能模块。
2.DCS系统现场站简介
2.1DCS系统现场站概念：
现场站（LNPS）是DCS系统的主要现场设备。
通过对其组态可以完成过程控制功能。
现场站通过各种相互关联的安装部件，组成一个就地的柜式结构。
通过相应的各种控制部件共同完成对现场过程的数据采集、数据处理和执行多种类型的控制策略。
现场站是一个容易配置而又独立的现场结构。
它能够根据现场过程控制的需要、功能分区、物理位置和安全要求等进行合理地配置，形成既相对独立，又通过通信网络连接成一个整体的、有很强针对性的过程控制级。
2.2DCS系统现场站的结构：
现场站主要包括三大结构，机械结构、通信结构、模件结构。
2.2.1机械结构现场控制站LN-PS是一柜式的现场设备,机柜为现场控制站的通信、控制、连接和电源等主要设备提供必要的保护和可靠方便的安装条件。
2.2.2通信结构在每一个控制机柜中，都有冗余配置的I/O通信总线。
2.2.3模块结构在控制机柜中，有主控单元（LN-PU）、I/O模块和电源模块三种模块类型，通过不同的组合可以满足不同的功能需求。
2.3现场控制站的组成和类型
2.3.1现场控制站的组成
现场站是DCS的核心，负责数据采集、数据处理和过程控制功能。
系统的性能、可靠性等重要指标也都依靠现场站保证。
现场站的硬件主要有主控制器、I/O模块，电源系统和通信网络组成
（1）主控制器：
一般为工业级计算机，其中包括CPU和多种存储器，用于数据
的计算、处理和存储。
（2）I/O模块：
也称过程通道，是为DCS的各种输入输出信号提供数据通道的
专用模块，是DCS中种类最多、使用量最大的一类模块。
（3）通信网络：
用于实现站站通信和站内主子通信。
（4）电源系统：
为站内模块提供工作电源，也可以为现场设备提供电源。
2.3.2现场控制站的类型
（1）基本控制单元定义：
接收并完成用户组态的软硬件结构。
组成：
控制器模件+I/O模件
（2）现场站的类型（按组成结构划分，按功能划分，按组成形式划分）
单个基本控制单元、多个基本控制单元
（3）基本控制单元的类型：
单回路型、功能分离型、多功能型
（三）DCS系统的通信联系
由于DCS系统是由各种完成不同功能的部件组成，这些部件之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总的控制任务。
能够完成数据传输的网络是各种控制部件之间联系的桥梁。
在DCS系统中作为桥梁的主要有两类通信网络：
系统通信网络和管理信息网络。
1.系统通信网络
高速通信总线是DCS系统中的一个重要组成部分，又称数据高速通道（或系统通信网络），它是连接系统各个站的桥梁。
也就是说，DCS系统中的现场控制站（或过程控制单元）、现场数据采集站（或过程接口单元）、操作员工作站、工程师工作站、各种功能站（如记录数据站、高级控制站、管理计算站等）等几个主要部分都是由数据高速通道连接起来的。
系统通信网络（高速通信总线）的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约（协议），关系到网络通信的效率和系统功能的实现。
因此，高速通信总线都是由各个DCS厂家专门精心设计的。
目前，越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统通信网络，以太网正逐步成为事实上的工业标准。
近年来，由于以太网应用的广泛性和成熟性，特别是它的开放性，使得大多数DCS厂家都先后转向了以太网。
2.管理信息网络
目前，DCS已从初期的单纯的具有低层控制功能发展到了更高层次的数据采集、监督、控制、生产管理等全厂范围的控制和管理系统。
因此，从当前的发展来看，DCS更应该被看成是一个计算机管理控制系统，其中，包含了全厂自动化控制和管理的丰富内涵。
另外，几乎所有的厂家都在原DCS的基础上增加了服务器，用于对全系统数据进行集中的存储和处理。
3.DCS常用的通信结构类型演变
（1）早期结构：
分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机。
（2）第二代：
分散过程控制装置+局域网+信息管理系统。
（3）多数应用的结构：
摸件化控制站+MAP兼容的宽带、载带局域网+信息综合管理系统。
（4）小型企业应用的结构：
单（多）回路控制器+通信系统+操作管理站。
（5）现行广发采用的结构：
可编程控制器（PLC）+通信系统+操作管理站。
4.DCS现场站的数据通信分析
4.1工业数据通信的要求：
实时性好、可靠性高、适应恶劣工业现场环境、开放系统互联。
4.2数据通信中涉及的主要技术：
数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形式进行信息交换的过程，是计算机与通信技术结合的产物。
将数据准确、及时地传送到正确的目的地是数据通信系统的基本任务。
数据通信系统主要涉及通信协议、信号编码、同步、多路复用、数据交换、差容控制、通信控制与管理技术。
4.3控制网络与信息网络互联的必要性
（1）控制网络与企业网络之间互联，建立综合实时的信息库，有利于管理层的决策
（2）现场控制信息和生产实时信息能及时在企业内网交换
（3）建立分布式数据库管理系统，是数据保持一致性、完整性和互操作性
（4）可对控制网络进行远程监控、远程诊断及维护等，节省大量的投资和人力
（5）为企业提供完善的信息资源，在完成内部管理的同时，加强与外部信息的交流
随着管理技术和通信技术的发展，DCS现场站的数据通信采用更先进的现场总线技术（FCS）以及控制局域网技术（CAN），使得现场站与其它站之间的连接更科学合理，数据共享更高效可靠，从而更能够满足不同的设计需求。
（四）现场总线技术（FCS）
1.现场总线的基本定义
现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，主要用于解决智能仪表、控制器、执行机构等自动化现场设备间的数字通信以及这些设备和上级控制系统间的信息传输问题。
不同组织机构对现场总线有着不同的定义，按照国际电工委员会（IEC）对现场总线的定义:
安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行双向、多点的数据通信总线称为现场总线。
它依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，利用智能仪表在现场实现数字化控制功能，并以这些现场分散的智能仪表的单个点作为网络节点，将这些节点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统（FCS）。
其关键特征有：
多点分布、全数字化、双向传输。
2.现场总线的特点和优点
2.1现场总线的结构特点
现场总线控制系统采用智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换器件。
这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。
2.2现场总线的技术特点
（1）系统的开放性：
指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。
（2）互可操作性与互用性：
指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。
（3）现场设备的智能化与功能自治性：
现场总线将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
（4）系统结构的高度分散性：
由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。
从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
（5）对现场环境的适应性：
工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安全防爆要求等。
2.3现场总线的优点：
节省硬件数量与投资、节省安装费用、节约维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性。
3.现场总线的结构
现场总线的拓扑结构主要有：
星型结构，环型结构，总线型结构。
4.现场总线协议
4.1现场总线的核心即总线协议，虽然目前现场总线协议并不统一，但对于各种总线，其协议的基本原理都是一样的，都以解决串行双向数字化通信为基本依据。
每一类总线都有最适用的领域，不论其应用于什么领域，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑，一次能够搭建成相应的系统产品。
一种总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的软硬件设备也就确定了。
包括通信速度、节点容量、各系统相连的网关、网桥、人机界面、体系结构、现场智能仪表以及网络供电方式等。
标准化对现场总线的意义重大，每一种现场总线都是标准的，它是现场总线的核心。
5.现场总线应用中的关键技术
现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，显示出强大的生命力，但目前仍处于发展的初级阶段。
现场总线系统的关键是应用技术和方法，它对控制系统及网络集成技术的发展和应用有着重要的理论意义和使用价值，对提高我国的自动化及测控水平有积极的推动作用。
现场总线涉及网络技术、仪表技术、计算机技术、自动化技术与制造技术等多学科的知识，相关技术的发展对现场总线的发展具有极强的推动作用，特别是网络技术对现场总线的影响十分深刻。
现场总线主要涉及的技术有：
（1）基于现场总线智能仪表的开发：
现场总线控制系统是由一系列现场智能仪表组成的网络控制系统，所以采用先进微电子技术和嵌入式开发技术，设计大量的满足现场测控要求的智能仪表是现场总线控制系统应用的必要条件。
（2）现场总线的实时通信技术：
现场总线控制系统基于全数字式的通信技术，在系统应用过程中，非常关键的问题是通信数据的正确传输以及如何提高通信效率。
因此，现场总线通信量的规划和调度关系、周期和非周期性数据的实时性传输问题，均是现场总线系统必须要解决的问题。
（3）网络管理技术：
计算机网络技术的成熟、发展和普及，使人们迫切希望通过网络来管理和控制生产过程，即在一定条件下，实现通过INTERNET来监视、控制和管理各生产过程和现场设备的运行状况。
最终实现对远程对象的监控。
加强网络管理技术的研究，开发基于总线控制系统的网络管理软件，有效处理网络数据的操作和传输，达到实时显示现场控制参数的目的是网络控制系统的应用需求。
（4）实现不同现场总线的技术兼容：
基于当前现场总线国际标准无法得到统一的现状，研究适当的兼容技术，允许同一个控制系统采用几种不同的现场总线，实现不同总线之间的通信，也是现场总线技术应用过程中亟待解决的问题。
6.现场总线的应用前景
从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：
一是寻求统一的现场总线国际标准；二是IndustrialEthernet走向工业控制网络。
统一、开放的TCP/IPEthernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。
事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（EthernetforProcessAutomation）也取得了很大的进展。
随着FFHSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。
3、课程设计（综合实验）总结或结论
通过这次的课程设计，总结出当前在DCS系统现场站中，运用前景最大的数据通信网络为基于现场总线技术的现场总线控制系统（FCS），它有优于传统DCS通信网络的特点，但是也有自身需要提高的缺陷。
本次课程设计时间紧迫，有很多准备不足之处，收获的是在一定程度上了解了DCS系统的基本原理以及现场总线技术的应用原理。
也引起了继续深究的欲望，对DCS系统的学习将会继续下去，因为明白到DCS系统的发展将会越来越好，应用也会越来越广泛。
四、参考文献
[1]刘延泉，《分散控制系统》（2014年上课课件）
[2]肖军，《DCS及现场控制系统》清华大学出版社，第一版，2011年10月
[3]李正军，《现场总线与工业——以太网及其应用技术》，机械工业出版社，第一版，
2011年9月
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